張偉軍

(中國石化揚子石油化工有限公司，江蘇南京 210048)

層次分析法AHP在安全評價中的應(yīng)用研究

張偉軍

(中國石化揚子石油化工有限公司，江蘇南京210048)

針對目前安全評價中關(guān)鍵問題之一，即區(qū)間劃分和指標(biāo)權(quán)重的主觀性，通過應(yīng)用層次分析法，較合理地確定了指標(biāo)的權(quán)值。將該方法應(yīng)用于乙酸過程的反應(yīng)路徑優(yōu)選，通過評價得到各反應(yīng)路徑的安全指標(biāo)值，并對它們的安全等級進(jìn)行了劃分。

安全評價 層次分析法 指標(biāo)權(quán)值

安全評價方法是定量描述化工過程本質(zhì)安全的重要手段[1-5]，但存在很多不足，主要的缺點之一是指標(biāo)區(qū)間劃分和權(quán)重設(shè)置的主觀性，導(dǎo)致評價結(jié)果的失真[6-8]。層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種多目標(biāo)決策方法，能夠定性與定量相結(jié)合地獲取各種決策因素權(quán)值，有效克服決策過程中的非一致性，具有系統(tǒng)靈活簡潔的優(yōu)點。本研究將AHP方法應(yīng)用于安全評價，按照評價的遞階層次結(jié)構(gòu)，得到各層次指標(biāo)因素的權(quán)值，作為評價中指標(biāo)的權(quán)重因子，并應(yīng)用于乙酸過程的安全評價，表明該方法能夠在過程早期安全評價中合理解決指標(biāo)的權(quán)重設(shè)置問題，為過程決策提供定量依據(jù)。

1 層次分析法AHP

1.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

首先構(gòu)造出有層次的結(jié)構(gòu)模型，將復(fù)雜問題分解為元素的組成部分，元素按其屬性及關(guān)系形成若干層次，上一層次的元素作為準(zhǔn)則對下一層次有關(guān)元素起支配作用，可分為最高層、中間層和最底層3類。

1.2 構(gòu)造判斷矩陣

設(shè)比較n個因子X={x1,…,xn}對某因素Z的影響大小，采取對因子進(jìn)行兩兩比較建立成對比較矩陣的方法，全部比較結(jié)果用矩陣A=(aij)n×n表示，A為Z-X之間的判斷矩陣。

1.3 層次單排序及一致性檢驗

判斷矩陣A對應(yīng)于最大特征值λmax的特征向量W，經(jīng)歸一化后即為同一層次相應(yīng)因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權(quán)值。成對比較判斷矩陣能減少其它因素的干擾，較客觀地反映一對因子影響力的差別，但需要通過一致性檢驗克服其非一致性，步驟如下。

a)一致性指標(biāo)CI計算：

(1)

b)用隨機方法構(gòu)造500個樣本矩陣，隨機地從1～9及其倒數(shù)中抽取數(shù)字構(gòu)造正互反矩陣，求

(2)

c)計算一致性比例CR：

(3)

當(dāng)CR<0.10時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正。

d)層次總排序及一致性檢驗：因本質(zhì)安全評價中不僅考慮指標(biāo)權(quán)值，還需考慮指標(biāo)本身取值，所以本研究中沒有設(shè)置方案層，最后的方案決策由評價程序確定。

2 AHP在安全評價中的應(yīng)用

2.1 建立安全評價的層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)安全評價方法的結(jié)構(gòu)框架，建立了AHP層次結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)AHP建模的特點，將評價方法分為2個層次，目標(biāo)層B為安全指標(biāo)值，根據(jù)其值大小確定過程的本質(zhì)安全水平；準(zhǔn)則層C包括所有的評價指標(biāo)，即易燃性C1、爆炸性C2、反應(yīng)性C3、溫度C4、壓力C5、反應(yīng)熱C6和量值(數(shù)量)C7等因素，分別反映各變量對目標(biāo)函數(shù)的影響。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

在各層次上建立針對上一層目標(biāo)的判斷矩陣，矩陣中各元素即為某層次因素兩兩比較的結(jié)果，該比較方式使主觀性受到了限制，并保持層次間較好的一致性。建立C1～C7對B的判斷矩陣，見表1。

表1 準(zhǔn)則層判斷矩陣

2.3 權(quán)值向量及一致性檢驗

通過Matlab編程，計算得到各判斷矩陣相應(yīng)的權(quán)值向量，并通過一致性檢驗得到各判斷矩陣的一致性比例，如表2所示。

表2 各因素的權(quán)值向量及一致性比例

如表2所示，每層次的一致性比例均小于0.1，表明得到的權(quán)值向量具有較高的一致性。

3 實例研究

將AHP決策的安全評價法應(yīng)用于乙酸過程的評價，實例中包含10條反應(yīng)路徑，通過安全評價進(jìn)行優(yōu)選。乙酸過程的反應(yīng)路徑如表3所示。

表3 乙酸生產(chǎn)各過程的詳細(xì)信息

該方法是基于模糊方法建立的，在Matlab模糊工具箱中對每個指標(biāo)建立其隸屬度函數(shù)，通過輸入、輸出變量、模糊規(guī)則的設(shè)定，將指標(biāo)值限于[0,1]區(qū)間。評價過程中，對反應(yīng)式中所有物質(zhì)進(jìn)行了評價，選擇指標(biāo)值最大的作為該反應(yīng)的最終指標(biāo)值,評價結(jié)果如表4所示，表中F表示易燃性、E表示爆炸性、R表示反應(yīng)性、T表示溫度、P表示壓力、RH表示反應(yīng)熱、I表示量值。

表4 乙酸反應(yīng)路徑的評價結(jié)果

將[0,1]區(qū)間按步長0.1依次劃分為10個等級，用以區(qū)分不同指標(biāo)值的安全影響。由表4可知，第7、8等級各含1條反應(yīng)路徑，第5等級包含5條反應(yīng)路徑，第6等級包含4條反應(yīng)路徑，其中，反應(yīng)路徑7的安全指標(biāo)值最低，表明該路徑的安全影響最小，可作為過程早期選擇反應(yīng)路徑的定量依據(jù)。當(dāng)然，反應(yīng)路徑的選擇還須考慮工藝、設(shè)備等諸多因素的影響。

[1] Gupta J P, Edwards D W. A simple graphical method for measurement of inherent safety[J].J.Hazard.Mater., 2003,104(1):15-30.

[2] Gunasekera M Y, Edwards D W. Chemical process route selection based upon the potential toxic impact on the aquatic, terrestrial and atmospheric environments[J].J.LossPrev.ProcessInd., 2006(19):60-69.

[3] Khan F I, Amyotte P R. I2SI: a comprehensive quantitative tool for inherent safety and cost evaluation[J].J.LossPrev.ProcessInd.,2005(18) :310-326.

[4] Srinivasan R, Nhan N T. A statistical approach for evaluating inherent benign-ness of chemical process routes in early design stages[J].ProcessSaf.Environ.Prot.,2008(86):163-174.

[5] Chan T L, Shariff A M. Process route index (PRI) to assess level of explosiveness for inherent safety quantification[J].J.LossPrev.ProcessInd., 2009(22):216-221.

[6] Meel A, Seider W D, Soroush M. Game theoretic approach to multiobjective designs: focus on inherent safety[J].AIChE, 2006(52):228-246.

[7] Abedi P, Shahriari M. Inherent safety evaluation in process plants-a comparison of methodologies[J].Cent.Eur.J.Chem., 2005,3(4):756-779.

[8] Rahman M, Heikkila A M, Hurme M. Comparison of inherent safety indices in process concept evaluation[J].J.LossPrev.ProcessInd.,2005(18):327-334.

TheApplicationofAHPintheSafetyEvaluation

Zhang Weijun

(SINOPEC Yangzi Petrochemical Co., Ltd., Jiangsu, Nanjing，210048)

With one of the key issues in the current safety evaluation, namely, interval and the subjectivity of index weight and by applying the AHP (Analytic Hierarchy Process), a more reasonable way to determine the weights of indicators. The method applied to the process path preferably acetic acid, to give the safety value of each index by evaluating the reaction path, and their level of security has been divided.

safety evaluation; analytic hierarchy process; index weight

2016-06-07

張偉軍，工程師，2001年畢業(yè)于江蘇化工學(xué)院，供職于中國石化揚子石油化工有限公司安保部，主要從事安全技術(shù)管理工作。